王偉印 陳毅 王世全 賈廣慧

（第七一五研究所，杭州，310023）

換能器的輻射聲場分布是衡量換能器性能狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，目前大多采用水聽器掃描法對其進(jìn)行測量。但該方法需要對聲場分布進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測量，手動(dòng)測量不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)給測量數(shù)據(jù)帶來誤差。因此，有必要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)測量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)換能器聲場分布的高效、自動(dòng)測量。

傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)軟件大多采用VB或VC編寫，對編程人員的能力要求較高，且開發(fā)周期較長。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，LabVIEW 被越來越多地應(yīng)用到測量控制系統(tǒng)中，與 VB 、VC 相比，其具有上手快、開發(fā)周期短、軟件界面形象生動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文利用LabVIEW設(shè)計(jì)了一套換能器輻射聲場自動(dòng)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠有效提高測量效率，減輕測量人員的工作強(qiáng)度，而且具有調(diào)試方便、可靠性高、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。目前，該系統(tǒng)已在實(shí)際測量中得到應(yīng)用。

1 聲場測量基本原理

換能器輻射聲場的測量方法主要可分為水聽器掃描法和光學(xué)法，本文只對水聽器掃描法的測量原理作簡要介紹。

水聽器是換能器輻射聲場測量系統(tǒng)中的核心器件，它主要用于接收水中聲壓信號(hào)，并能在聲壓信號(hào)的作用下，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，兩者之間的關(guān)系為：

式中，M為水聽器的接收靈敏度；(x,y,z)為聲場中任意一點(diǎn)；t為瞬時(shí)時(shí)間；U(x,y,z,t)為水聽器的電纜末端輸出電壓；P(x,y,z,t)為作用在水聽器敏感元件上的瞬時(shí)聲壓。

將水聽器安裝在高精度三維掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，借助于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在水下聲場中逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，測量并記錄各點(diǎn)處的水聽器輸出電壓。然后根據(jù)公式（1），在M已知的情況下，可求得各點(diǎn)處的聲壓值，從而獲取換能器在水下的輻射聲場分布[2]，其原理示意見圖1。

圖1 水聽器掃描法原理示意圖

2 聲場自動(dòng)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)測量系統(tǒng)的硬件部分主要由水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、水聲信號(hào)測量系統(tǒng)以及掃描回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖中，水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)由信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射換能器組成，它的主要功能是向水中發(fā)射測量所需的脈沖聲波；水聲信號(hào)測量系統(tǒng)由水聽器、前置放大器、濾波器、示波器組成，用于對信號(hào)進(jìn)行采集分析；掃描回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)則主要是為水聲換能器提供安裝位置，并控制換能器在水池中的三維移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)測量系統(tǒng)的軟件部分利用LabVIEW編寫完成，因其具有強(qiáng)大的儀器驅(qū)動(dòng)庫，能實(shí)現(xiàn)和多種儀器的連接。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，軟件前面板如圖4所示，軟件后面板即程序部分如圖5所示。整個(gè)軟件系統(tǒng)可分為三個(gè)模塊：信號(hào)源控制模塊、示波器控制模塊、電機(jī)控制模塊，下面分別對各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)過程作簡要介紹。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖4 軟件前面板

圖5 軟件后面板

2.2.1 信號(hào)源控制模塊

換能器輻射聲場自動(dòng)測量系統(tǒng)中采用的信號(hào)源型號(hào)為KEYSIGHT 33612A，該型信號(hào)源可通過多種接口與上位機(jī)進(jìn)行通信?？紤]到系統(tǒng)軟件與現(xiàn)有測試系統(tǒng)的兼容性，本文采用GPIB通信方式對信號(hào)源進(jìn)行控制。

NI(National Instruments)官網(wǎng)上提供的33612A驅(qū)動(dòng)程序，它將信號(hào)源的通道、觸發(fā)方式、頻率、幅值、波形等功能參數(shù)封裝成相對應(yīng)的子VI，可以多次調(diào)用而不用重復(fù)編程[3]。根據(jù)實(shí)際測量中的需求，在 LabVIEW 中依次調(diào)用了驅(qū)動(dòng)程序中的Initialize、Configure Standard Waveform、Configure Burst等子VI完成對信號(hào)源控制程序的編寫。通過調(diào)用信號(hào)源控制模塊，計(jì)算機(jī)能夠控制信號(hào)源生成頻率、幅值等各參數(shù)可調(diào)的脈沖或連續(xù)波形。信號(hào)源模塊的控制程序如圖6所示。

圖6 信號(hào)源模塊的控制程序

2.2.2 示波器控制模塊

與控制信號(hào)源類似，利用示波器所對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)實(shí)際需要依次調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中封裝好的子VI，完成示波器控制程序的編寫。通過調(diào)用示波器控制模塊，計(jì)算機(jī)能夠控制示波器的通道、量程、延遲時(shí)間、時(shí)基等參數(shù)，對被測信號(hào)進(jìn)行采集。

為了獲取被測信號(hào)的幅值和相位信息，本文利用LabVIEW函數(shù)庫中的單頻測量函數(shù)對被測信號(hào)進(jìn)行了FFT分析，并將得到的幅值和相位數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到Excel表中。同時(shí)，還在示波器控制程序中設(shè)計(jì)了根據(jù)實(shí)際信號(hào)幅值自動(dòng)調(diào)整示波器量程的程序，以使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確、測量過程更加智能。示波器的部分控制程序如圖7所示。

圖7 示波器模塊的控制程序

2.2.3 電機(jī)控制模塊

換能器輻射聲場自動(dòng)測量系統(tǒng)中采用的三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠精確控制換能器或水聽器在水箱中的位置移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。為了滿足實(shí)際聲場測量中自動(dòng)掃描的需要，本文對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)進(jìn)行了程控。

計(jì)算機(jī)與電機(jī)控制單元之間通過 USB轉(zhuǎn)RS232串口線連接，根據(jù)廠家提供的modbus通訊協(xié)議進(jìn)行編程。結(jié)合實(shí)際需要，依次設(shè)置好加減速系數(shù)、運(yùn)行速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停等動(dòng)作的控制，進(jìn)而控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)以控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向右移動(dòng)為例，給出其控制程序如圖8所示。

圖8 電機(jī)控制模塊中的右移程序

3 聲場仿真與實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)換能器輻射聲場自動(dòng)測量系統(tǒng)的可行性，本文對直徑2.6 cm、工作頻率180 kHz的圓面活塞換能器的聲場分布進(jìn)行了理論仿真，然后利用設(shè)計(jì)的自動(dòng)測量系統(tǒng)對該換能器的聲場分布進(jìn)行了實(shí)際測量，現(xiàn)對仿真與測量過程作簡要介紹。

設(shè)在無限大平面障板上嵌有一個(gè)半徑為a的圓面活塞換能器，靜止時(shí)換能器表面與障板表面在同一平面上，當(dāng)活塞以速度u=uaejωt振動(dòng)時(shí)，換能器將向障板前面的半空間輻射聲波[4]。以活塞中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，活塞所在的平面為xOy平面，過坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于活塞平面的直線為z軸，建立坐標(biāo)系如圖9所示。

圖9 圓面活塞換能器輻射示意圖

由瑞利公式可得活塞聲源在空間任意一點(diǎn)處的聲壓表達(dá)式為：

式中，ρ0、c0分別表示聲場中傳播介質(zhì)的密度和聲速；k表示波數(shù)；h表示面元ds到點(diǎn)P的距離，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

取a=2.6 cm，頻率f=180 kHz，距離z=3 cm，根據(jù)式（2）、（3）對換能器的近場聲壓分布進(jìn)行仿真，得到的聲場分布如圖10所示。

圖10 聲場分布仿真結(jié)果

圖11 聲場分布測量結(jié)果

在對聲場的實(shí)際測量中，使用的水聽器為探針?biāo)犉?。將水聽器放置在距換能器輻射面3 cm處，運(yùn)用自動(dòng)測量系統(tǒng)，在以換能器聲軸為中心的 4 cm×4 cm平面上進(jìn)行掃描，步進(jìn)間距0.1 cm，共測量1 600個(gè)點(diǎn)，用時(shí)約1 h，得到的聲場分布如圖11所示。

對比圖10與圖11可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論仿真結(jié)果十分一致，但兩者之間也存在一定的偏差：實(shí)際測量出的聲場旁瓣并不像仿真結(jié)果那樣呈現(xiàn)規(guī)則的圓形，邊緣沒有仿真結(jié)果清晰，且實(shí)際旁瓣大小比仿真結(jié)果略大。分析認(rèn)為，出現(xiàn)偏差的原因可能是由于換能器不同陣元間振動(dòng)不一致、安裝位置偏差以及換能器與水聽器距離調(diào)整誤差、換能器輻射聲場自動(dòng)測量系統(tǒng)的測量誤差等多方面因素導(dǎo)致。后續(xù)工作中，將致力于提高測量系統(tǒng)的測量精度，并進(jìn)一步優(yōu)化軟件，使聲場測量結(jié)果更加準(zhǔn)確、測量速度更加快速。

4 結(jié)束語

本文研究了一種基于 LabVIEW的換能器輻射聲場自動(dòng)測量系統(tǒng)，給出了利用該系統(tǒng)測出的換能器在水下的輻射聲場分布，并將測量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。通過本文的研究可以得到如下結(jié)論：

（1）本文系統(tǒng)可以對換能器的輻射聲場分布進(jìn)行快速、自動(dòng)測量，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

（2）與常規(guī)的采用VB、VC語言相比，借助于LabVIEW不需要太多的編程經(jīng)驗(yàn)，就能夠在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出一套自動(dòng)測量系統(tǒng)，適用于自動(dòng)測量系統(tǒng)的快速搭建。

（3）本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測量系統(tǒng)，每小時(shí)能掃描約1 800個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)被測聲場面積較大時(shí)，被測數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，以7 200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為例，則一次完整的聲場掃描測量需要近 4 h，耗時(shí)較長。因此，如何在保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的情況下，進(jìn)一步提高聲場掃描速度，將在后續(xù)工作中研究。